约翰迪尔公司探索乙醇的各种可能性

乙醇长期以来一直是汽车工业的主要原料，主要以低比例与汽油混合，作为火花点火式发动机的辛烷值提升剂。美国每年生产超过160亿加仑的乙醇，其中绝大部分用于乘用车。

从历史上看，这几乎没有给其他应用留下任何空间，但现在有能力生产更大数量的乙醇。

“随着作物产量的增长、原料加工效率的提高以及燃料转化率的提高，美国未来有能力以更经济的方式生产更多的生物燃料，”约翰迪尔动力系统首席技术专家（动力系统）窦丹南博士在排放分析公司举办的“2026 年美国非公路用电及发电”联合会议上表示。

表面上看，这对种植户来说是个好消息，正如 Dou 在活动后期接受 Power Progress 采访时所指出的那样：“随着汽车效率的提高和电气化的发展，风险在于汽油或乙醇的需求是否会下降。”

风险，加上商品价格的波动，促使约翰迪尔动力系统公司探索重型发动机的替代解决方案，这些方案可以通过为农作物提供新的市场机会来帮助支持农业客户。

乙醇柴油

将柴油动力设备改造为火花点火设备或许是最明确的前景。

“过去几年，我们对可再生燃料的讨论确实提升了人们对火花点火发动机的认识，因为大多数可再生燃料实际上更适合火花点火式发动机，”窦先生评论道。“乙醇是一种液体燃料，它是可再生的，而且是由我们客户种植的玉米等作物生产的。这促使我们思考：‘我们能做些什么来改造一些机器，使它们能够使用乙醇燃料，从而更好地服务我们的客户？’”

为此，约翰迪尔公司参与了由美国能源部资助、与威斯康星州密尔沃基市马凯特大学合作开展的一项产业合作项目，旨在研究一种可将柴油发动机改装为火花点火式的柔性燃料解决方案。该方案包含一个主动供油的预燃室——配备独立的燃油喷射器和火花塞——可安装在发动机缸盖上，通过控制混合燃烧，使发动机能够燃烧乙醇和高比例汽油-乙醇混合燃料。

“这为燃料混合策略开辟了新的方向。这是利用这种广泛存在的生物燃料的另一种方式，这种生物燃料对美国和我们的客户都非常重要，”窦先生说。

目前，约翰迪尔正在积累火花点火解决方案的开发经验。

“我们在产品验证、市场接受度、规模化和投资方面还有一些工作要做，”窦先生说。“我们正在开发使用乙醇的原型机来展示这种可能性。我们也在进行市场测试，看看客户是否会接受。所以，我们需要进一步证明这个解决方案的有效性。”

生物燃料项目

约翰迪尔公司正在探索的另一个方向是直接在柴油发动机中使用乙醇。Dou与普渡大学机械工程系Reilly讲席教授Greg Shaver博士在之前的项目中有着长期的合作，因此，他们与业内其他合作伙伴携手开发一个灵活燃料项目可谓水到渠成。该项目旨在研究未经改装的柴油发动机在添加或不添加石油柴油的情况下，对不同比例的乙醇和生物柴油混合燃料的反应。

该项目——包括利用乙醇生产生物柴油（以脂肪乙酯 (FAEE) 的形式）——最终被称为 Bio2Fuel。Dou 和 Shaver 在非公路用车及发电会议上就此项目进行了联合演讲。

“生物柴油粘度更高、十六烷值更高、润滑性更好，因此与乙醇的特性互补，”窦先生指出。“在生物柴油中添加一定量的乙醇，无论是否添加石油柴油，都可以得到一种具备部分柴油特性且性能类似于柴油的燃料。事实上，其中一些特性甚至可以达到现行柴油标准的要求。”

正如 Shaver 在演示中解释的那样，该项目包括对一台 13.6 升约翰迪尔柴油发动机进行实验室测试，测试中使用了多种组合和比例的柴油、高级柴油、生物柴油和乙醇。

“简而言之，我们的想法是充分利用美国和北美目前生产的大量乙醇以及一定量的生物柴油。关键问题在于，我们能否在不进行大幅改装的压燃式发动机中使用这些燃料，使其能够像使用柴油一样高效运转，”谢弗说道。“因此，我们选择一台符合所有政府监管要求和客户期望的、使用柴油的未改装柴油发动机，然后尝试了解如何将乙醇引入这台发动机。”

概念验证

该项目的初步工作表明，现代柴油发动机能够燃烧高达50%的乙醇。“我们通过增加发动机燃油喷射量、缸体预热以及在低负荷下绕过压缩空气冷却器来实现这一点，”Shaver表示。他们还试验了60%的乙醇混合燃料，这需要在启动发动机时进行额外的预热步骤。

到目前为止，主要结论表明，与乙醇混合的燃料在发动机排放方面表现相似或更好，但低负荷下 60% 混合燃料的 CO 和碳氢化合物排放量除外；并且随着燃料能量密度的降低，燃料消耗量增加。

“乙醇和生物柴油，以及二者的混合燃料，其能量密度都低于传统柴油，这主要是因为它们含有氧气。在相同的发动机转速下，你需要向气缸内喷入更多的燃料才能获得相同的扭矩或功率，”谢弗指出。

“所以，这里一个关键的结论是……你可以像使用柴油一样，在高扭矩和高功率工况下运行，但使用乙醇和生物柴油混合燃料时，你至少会牺牲一些性能。这就是大自然的规律。”

沙弗表示，虽然燃烧室实际能容纳的燃料量是有限的，但对燃烧室进行设计上的改进或许可以克服这个问题。“但无论如何，你很可能会遇到峰值扭矩和峰值功率的极限。”

最终，该项目实现了其既定目标——证明柴油发动机确实可以以某种形式燃烧乙醇。但还有更多工作要做。

“我说，‘看起来很有希望，但我们不能就此止步，’”窦说道。“我们还没有验证所有方面——耐久性、额外的排放合规性以及发动机的其他方面。我们需要更全面地考虑。所以，我们希望组建一个联盟来跟进此事。我们不想孤军奋战。”

众人拾柴火焰高

该联盟已在普渡大学系统内正式注册，约翰迪尔公司已邀请多个不同的实体加入一个为期三年的项目，研究如何开发一种适用于柴油发动机的燃料。

“我们努力组建一支团队，汇集来自整车制造商、燃料供应商和一些优秀研究人员的专业知识，深入研究燃烧过程的各个细节——保持开放的态度，不断探索，”窦强调说。“我们会发现一些尚未取得明显成功的地方，但就目前而言，这些方面值得进一步研究。我们看到了其中的机遇。”…